반도체 장치에 에피택셜 레이어가 필요한 이유는 무엇입니까?
일부 뉴스에 따르면 특정 국가의 한 첨단 기술 회사가 GaN 격자와 일치하고 GaN을 잘 성장시킬 수 있는 새로운 유형의 기판 재료를 개발했다고 합니다. (참고: 준비하기가 매우 어렵습니다.GaN 벌크 단결정, 따라서 여기에서 언급된 GaN은 에피택셜층이며, 에피택셜층의 존재 의미 중 하나를 드러낸다. 그렇다면 기판과 에피택셜층에는 왜 차이가 있는 걸까요? 에피택셜층의 존재의 의미는 무엇인가?
에피택셜 웨이퍼의 기원
웨이퍼 준비에는 기판 준비와 에피택셜 프로세스라는 두 가지 주요 링크가 포함됩니다. 기판은 반도체 단결정 재료로 만들어진 웨이퍼입니다. 기판은 반도체 장치를 생산하기 위해 웨이퍼 제조 공정에 직접 들어갈 수 있습니다. 또한 에피택셜 처리를 통해 에피택셜 웨이퍼를 생산할 수도 있습니다. 에피택시란 절단, 연삭, 연마 등의 공정을 거쳐 단결정 기판 위에 새로운 단결정을 성장시키는 공정을 말한다.
새로운 단결정의 재료와 기판은 동일할 수도 있고 다를 수도 있습니다(균질 에피택시 또는 이종 에피택시). 새로운 단결정층은 기판의 결정상에 따라 성장하기 때문에 에피택시층(두께는 실리콘을 예로 들면 보통 수 마이크론이다. 실리콘 에피택셜 성장의 의미는 실리콘 단결정 기판 위에 있음) 특정 결정 방향으로 결정 방향이 동일하고 결정 격자 구조의 두께가 다르며 무결성이 양호한 결정 층을 성장시키고 에피택셜 층이 있는 기판을 에피택셜 웨이퍼라고 합니다(에피택셜 웨이퍼 = 에피택셜 층 + 기판). 에피택셜 층에 만들어진 장치는 포지티브 에피택시입니다. 기판 위에 소자를 만드는 것을 역에피택셜(Reverse Epitaxis)이라고 하며, 에피택셜층은 지지 역할만 한다.
동종 에피택시 및 이종 에피택시
| 균질한 에피택시 | 에피텍셜 층과 기판의 동일한 재료: Si/Si、GaAs/GaAs、GaP/GaP; |
| 이종 에피택시 | 에피택셜 층 및 기판의 다양한 재료: Si/Al2O3, GaS/Si, GaAlAs/GaAs, GaN/SiC 등과 같은 |
에피택셜 레이어는 어떤 문제를 해결합니까?
문제:
대량 단결정 재료는 다양한 반도체 장치의 증가하는 요구를 충족시키기 어렵습니다. 따라서 박층 단결정 재료 에피택셜 성장의 개발을 가속화합니다. 그렇다면 에피택셜 기술은 소재 발전에 어떤 영향을 미칠까요?
실리콘의 경우 실리콘 에피택셜 성장 기술이 시작될 당시에는 실리콘 고주파, 고전력 트랜지스터 제조가 사실상 어려운 시기였습니다. 트랜지스터 원리의 관점에서 고주파, 고전력을 얻으려면 컬렉터 영역의 항복 전압이 높아야 합니다. 직렬 저항은 작아야 합니다. 즉, 포화압력강하가 작아야 한다. 전자는 컬렉터 영역에서 재료의 높은 전기 저항을 요구하는 반면, 후자는 재료의 낮은 전기 저항을 요구합니다. 그 둘은 서로 모순된다. 컬렉터 영역 재료의 두께를 줄이면 직렬 저항이 감소하지만 실리콘 웨이퍼는 너무 얇고 부서지기 쉬워 처리할 수 없습니다. 재료의 저항률을 줄이는 것은 첫 번째 요구 사항과 모순됩니다. 따라서 에피택셜 기술의 개발은 이러한 어려움을 성공적으로 해결합니다.
에피택셜 공정을 이용한 솔루션:
저항이 매우 낮은 기판 위에 고저항 에피층을 성장시키고, 에피층 위에 소자를 제작함으로써, 고저항 에피층은 튜브 내에서 높은 항복 전압을 보장하고, 저저항 기판은 저항을 감소시킵니다. 기판의 포화 전압 강하를 줄입니다. 이로써 둘 사이의 모순이 해결된다.
In addition, the gas phase epitaxy, liquid phase epitaxy and other epitaxy technologies of GaAs and other molecular compound semiconductor materials such as III-V, II-VI and other molecular compound semiconductor materials have been greatly developed, and they have become an indispensable process technology for most microwave devices, optoelectronic devices, power devices, etc., especially molecular beam and metal organic vapor phase epitaxy in thin layers, superlattices, quantum wells, strained superlattices, and atomic-level thin films.
응용 분야에서 거의 모든 광대역 간격 반도체 장치는 에피택셜 층에서 만들어지며 탄화규소 웨이퍼 자체는 기판 역할만 합니다. 더욱이, 에피택셜 층의 제어는 와이드 밴드갭 반도체 산업에서 중요한 부분입니다.
에피텍셜 기술의 7가지 기술
- 높은(낮은) 저항의 에피택셜 층은 낮은(높은) 저항의 기판 위에 에피택셜 성장될 수 있습니다.
- N(P)형 에피택셜 층은 P(N)형 기판 위에 에피택셜 성장되어 PN 접합을 직접 형성할 수 있습니다. 확산 방식으로 단결정 기판에 PN 접합을 만들 경우 보상 문제가 없습니다.
- 마스크 기술과 결합하여 지정된 영역에서 에피택셜 성장이 수행되어 특수 구조의 집적 회로 및 장치 생산을 위한 조건이 만들어집니다.
- 도핑의 종류와 농도는 에피택셜 성장 과정에서 필요에 따라 변경될 수 있습니다. 농도 변화는 급격하거나 느릴 수 있습니다.
- 다양한 조성으로 이종, 다층, 다성분 화합물 및 초박층 성장이 가능합니다.
- 에피택셜 성장은 물질의 녹는점보다 낮은 온도에서 수행할 수 있고, 성장 속도를 제어할 수 있으며, 원자 수준의 두께의 에피택셜 성장을 구현할 수 있다.
- 그림으로 그릴 수 없는 단결정 소재의 성장이 가능합니다.GaN 웨이퍼, 3차 또는 4차 화합물의 단결정층 등
에피택셜 층 및 에피택셜 프로세스
| 이름 | 기판 | 에피택셜층 구성 | 에피택셜 공정 | 에피택셜 매체 |
| 실리콘 호모에피텍셜 | 시 | 시 | 기상 에피택시(VPE) | SiCl4+ H2
SiH2클2 SiHCl3 + H2 SiH4 |
| 실리콘 헤테로에피택셜 | 사파이어 또는 스피넬 | 시 | 기상 에피택시(VPE) | SiH4+ H2 |
| 갈륨비소 호모에피택셜 | 갈륨 비소 | 갈륨 비소 | 기상 에피택시(VPE) | AsCl3+ 가 + H2(아르) |
| 갈륨 비소 | 갈륨 비소 | MOCVD | 자동차3+ 재3+H2 | |
| 갈륨 비소 | 갈륨 비소 | 분자선 에피택시(MBE) | Ga + As | |
| 갈륨 비소 | 갈륨 비소 | 액상 에피택시(LPE) | Ga + GaAs + H2 | |
| 갈륨비소헤테로에피택셜 | 갈륨 비소 | GaAlAs/GaAs/ GaAlAs | 액상 에피택시(LPE) | Ga + Al + GaAs + H2 |
| 갈륨 비소 | GaAsP | 기상 에피택시(VPE) | 가 + 애쉬3+ PH3+염산 +H2 | |
| 갈륨 인화물 동종에피택셜 | 갭 | 갭(갭:N) | 액상 에피택시(LPE) | Ga + GaP + H2+ (NH3) |
| 갈륨 인화물 헤테로에피택셜 | 갭 | GaAsP | 액상 에피택시(LPE) | Ga + GaAs + GaP + NH3 |
| 초격자 | 갈륨 비소 | GaAlAs/GaAs
(주기) |
분자선 에피택시(MBE)
MOCVD |
가, 아스, 알
가르3+ 알3+ 재3+ H2 |
| 인듐 인화물 동종에피택셜 | InP를 | InP를 | 기상 에피택시(VPE) | PCl3+ 인 + H2 |
| 인듐 인화물 헤테로에피택셜 | InP를 | InGaAsP | 액상 에피택시(LPE) | In + InAs + GaAs + Inp + H2 |
| Si/GaAs 에피택시 | 시 | 갈륨 비소 | 분자선 에피택시(MBE) | 가, 애스 |
| 시 | 갈륨 비소 | MOCVD | 가르3+ 재3+ H2 |
한마디로, 에피택셜 층은 기판보다 완벽하고 제어 가능한 결정 구조를 얻기가 더 쉽기 때문에 재료의 응용 및 개발에 더 도움이 됩니다.
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